Konzeption, Umsetzung und experimentelle Validierung eines SiC-Wechselrichters für einen hochintegrierten Antriebsstrang für einen Flugantrieb
Diese Dissertation beschreibt den Entwurfsprozess eines integrierten Antriebswechselrichters auf Basis von SiC-MOSFET für die Anwendung in einer Triebwerksgondel für ein Regionalflugzeug.
Im ersten Schritt werden die luftfahrtspezifischen Randbedingungen abgeleitet. Anschließend werden eine detaillierte Herleitung einer Effizienzberechnung, ein Vergleich von Multilevel-Topologien und eine Betrachtung von Mehrphasen-
Topologien präsentiert. Das Betriebsverhalten eines Propellerantriebs wird ausführlich untersucht, um Schlussfolgerungen für das Design des Wechselrichters zu ziehen.
Ein Prototyp desWechselrichters wird konstruiert und in Betrieb genommen. Ein Motor, welcher für die Flugzeuggondel entworfen wurde, wird bereit gestellt. In einem Motorprüfstand werden Untersuchungen und Optimierungen an diesem Antriebsverbund durchgeführt.
Der Wechselrichter befindet sich innerhalb der Triebwerksgondel als Teil eines integrierten Antriebssystems. Die abgeleiteten luftfahrtspezifischen Randbedingungen werden angewendet. Um eine höhere Leistungsdichte zu erreichen, wird auf ein separates Gehäuse für die Leistungselektronik sowie die Motorfilter verzichtet. Eine hohe Schaltfrequenz, ermöglicht durch moderne SiC-MOSFET, gewährleistet die erforderliche Stromqualität. Die Implementierung als sechsphasiger Wechselrichter ermöglicht die Skalierung der gewünschten Leistung und die Einführung von funktioneller Redundanz. Das gesamte Antriebssystem ist für eine Ausgangsleistung von 200 kW bei einer Versorgungsgleichspannung von 1000 V ausgelegt.
Der Zwischenkreis wird in räumlich komplexer Anordnung realisiert. Um eine hohe Spannungsqualität und niedriges EMI-Level zu gewährleisten, wird eine Optimierung durchgeführt, um eine niederinduktive Verbindung zwischen MOSFET und verteilten Kondensatoren zu implementieren. Darüber hinaus wird die Schaltfrequenz optimiert, um den Gesamtwirkungsgrad des Systems zu maximieren.
Der Aufbau des Antriebswechselrichters bietet unter Laborbedingungen eine Leistung von 380 kW, einen Spitzenwirkungsgrad von 99.3 % und eine Leistungsdichte von 51.7 kW/kg.
This dissertation describes the design process of an integrated drive inverter based on SiC-MOSFET for application in an engine nacelle for a regional aircraft.
First, the aviation-specific boundary conditions are derived. A detailed derivation of the efficiency calculation, a comparison of multilevel topologies, and an exploration of multiphase topologies are presented. The operating behavior
of a propeller drive is then examined in detail to draw conclusions for inverter design. A prototype of the inverter is constructed and put into operation. An engine designed for the aircraft nacelle is provided. Investigations and optimizations are carried out on this drive train in a motor test bench.
The inverter resides within the engine nacelle as part of an integrated drive system, employing the derived aviation-specific boundary conditions. To achieve a higher power density, a dedicated housing for the power electronics and motor filters are eliminated. High switching frequency, enabled by modern SiC MOSFETs, ensures the necessary power quality. A six-phase inverter design is implemented to provide the desired power level and to introduce functional
redundancy. The entire drive system is designed for a 200 kW output with a DC voltage of 1000 V.
The DC-link, while constrained by its fixed spatial arrangement, is optimized to achieve a lowinductive connection between MOSFET an distributed capacitors. Furthermore, the switching frequency is optimized to maximize overall system efficiency.
Laboratory testing yields 380 kW of power, 99.3 % peak efficiency, and a power density of 51.7 kW/kg for the drive inverter design.
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